「慧眼」衛星觀測到距離黑洞最近的相對論噴流

2021-01-11 驕陽網

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我國首顆空間X射線衛星「慧眼」衛星在高於200千電子伏特(keV)的能段發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩(quasi-periodic oscillation，QPO)，這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。研究表明，其起源於黑洞視界附近的相對論噴流(向外高速運動的等離子體流)的進動，為解決一直以來存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據。

這一成果由中國科學院高能物理研究所、英國南安普頓大學、德國圖賓根大學、中國科學院上海天文臺等單位的研究人員共同完成，在線發表於9月21日出版的國際學術期刊《自然·天文學》上。

低頻QPO發現於上世紀80年代，是一種在X射線雙星中普遍存在的時變現象，表現為光變曲線上出現類似周期性但是並非精確周期性的調製。30多年來，低頻QPO的起源一直是緻密天體研究的一個未解難題。目前，存在兩類最為流行的模型解釋低頻QPO現象，即物質在旋轉落向黑洞的過程中形成的吸積盤上的不穩定性導致X射線輻射產生振蕩，或者靠近黑洞的冕狀X射線輻射區的進動或振蕩導致X射線輻射產生準周期調製。

但在「慧眼」衛星之前，X射線衛星只具有在30keV以下的能區研究低頻QPO的能力，很難區分這些模型。「慧眼」衛星的有效能段為1-250keV，並且在30keV以上具有最大的有效面積，科學家們期待「慧眼」的發現能對相關理論模型進行更加嚴格的檢驗。

2018年3月11日，黑洞X射線雙星(由一個幾倍太陽質量的黑洞和一個恆星組成的雙星系統)MAXI J1820+070發生爆發，在相當長一段時間裡是天空中最亮的X射線源之一。「慧眼」衛星對這一重要天體進行了長達幾個月的高頻次定點觀測，積累了海量的觀測數據。

基於這些觀測數據，研究團隊發現MAXI J1820+070在很寬的能段範圍內都存在低頻QPO現象，最高能量超過200keV，比「慧眼」衛星之前的QPO能量上限幾乎提高了一個數量級，說明該QPO並不來自吸積盤的熱輻射區域。進一步的研究還表明，QPO的頻率和變化幅度都不隨能量改變，且能量較低的QPO晚於能量較高的QPO產生，這些都和已有的流行模型嚴重衝突。因此研究團隊提出，該低頻QPO應該產生於黑洞視界附近噴流的進動，很可能是黑洞自轉產生的廣義相對論的參考系拖曳效應產生的。

噴流是運動速度接近光速的高速物質流，以前在射電、可見光和X射線波段從很多黑洞X射線雙星系統以及中心是超大質量黑洞(質量是百萬到百億倍太陽質量)的遙遠類星體中都觀測到過，是黑洞系統的一種主要觀測特徵，也是黑洞系統在吞噬周圍物質的過程中對周圍環境產生顯著反饋影響的一種主要手段。但是這些噴流距離黑洞都非常遠(通常位於黑洞視界半徑百萬倍以上的距離，而在這樣的距離處黑洞的引力實際上已經不起作用了)，因此並不清楚這些噴流到底起源於距離黑洞多遠的位置，以及是如何從黑洞的強引力場中逃出並且被加速到接近光速的。

「慧眼」衛星的觀測第一次將噴流的源頭定位到距離黑洞上百公裡(幾倍黑洞視界半徑)的區域，這是迄今為止觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流，對於研究黑洞附近的廣義相對論效應、物質動力學過程和輻射機制等具有重大意義。

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